镁合金半固态成型

半固態觸變鑄造加熱方式
就半固態成形製程而言，感應加熱因具有乾淨、快速、適合 自動化和低工作環境溫度等優點，成為目前歐美日觸變鑄造業的 不二選擇。但是，感應加熱因表層效應(Skin Effect)關係，精確 控制熔漿內外溫度均勻性極不容易。然為了得到高品質與高良率 製程，需要有精確控溫的周波加熱技術來產生穩定溫度熔漿;這一 關鍵參數在金屬半固態成形時尤其重要。
鎂合金成型方法
鎂合金的廣泛應用,使得它的成型技術受到越來越多的觀注. 镁合金成形分为变形和铸造两种方法.
壓鑄是应用最广的镁合金成形方法。 壓鑄法是以活塞將融熔金屬壓入模穴中，凝固成型。
<a. 冷室壓鑄法 Cold chamber die casting>： 採料管給料，氣體灌入多，導入式自動給湯機，熔鑄壓力較 高，模具大型，可鑄面積大，技術成熟度高，適用於肉厚及大鑄 件。射出時間較長，產出率較低。
半固態成形比較DIE CASTING的主要優點
3.強度較佳 a.可得到球粒組織結構。 b.流動模式為層流(laminar flow)，氣孔率較壓鑄成形之氣 孔率少. 層流(laminar flow) 紊流(turbulent flow)
TYPICAL MECHANICAL PROPERTIES Thixomolding vs. Die Cast Mg. AZ91D
半固態成形比較DIE CASTING的主要優點
半固態成形比較DIE CASTING的主要優點
1.操作溫度較壓鑄低約100℃，因此模具壽命較長，模具之潤 滑需求亦減少，不必機外先融熔鎂合金，減少能源耗損及工作場 所之髒亂。 2.半固態成形中，由於鎂熔料有部分是處於固相狀態，而液 相部份亦是處於較低的溫度。因此在凝固冷卻的過程中，成品的 形狀收縮較小，所以成品公差變化小，尺寸再現性高。
觸變鑄造的製造流程圖
半固態鑄造成型製程
半固態成型零件之優點只有在精準製程調適下才能有效彰顯 出來，例如原材料如何被適當加熱至特定半固態溫度（特定固相 比例）及其保溫時間以獲得較佳均勻溫度和球化組織。 此製程基本上可分為兩個階段。首先是將一般鎂合金鑄錠變 為鎂合金「半固態原材料」.鎂合金「半固態原材料」由於熔解需 有保護氣氛防止氧化與燃燒問題，鎂合金經冷加工，將其鑄造之 樹枝狀晶塑性加工變形成微細晶粒後亦可作為半固態原材料使用 。
電磁攪拌連續鑄造半固態原材料示意圖
應變引發先熔簡介
應變引發先熔是先將一般鑄錠，施以相當的加工量，使其內 部 殘留足夠的應變量；再加熱至半固態溫度，使其因應變引發而 形成球狀晶半固 態熔湯。应变诱发熔化激活法（SIMA）是将常 规铸锭经过预变形，如进行挤压，滚压等热加工制成半成品棒料 ，这时的显微组织具有强烈地拉长形变结构，然后加热到固液两 相区等温一定时间，被拉长的晶粒变成了细小的颗粒，随后快速 冷却获得非枝晶组织铸锭。
Property Ultimate Tensile Strength Yield Strength Elongation % Thixomolded 295 Mpa [43.0 KSI] 184 MPa [26.0 KSI] 10% Die Cast 230 MPa [33.0 KSI] 150 MPa [22.0 KSI] 3%
半固態成型方法介紹
流變鑄造是將液態之金屬一面攪拌(目的為得到球狀晶)一面 冷卻至固液兩相共存區，而後將此半固態黏漿直接傳送至冷室壓 鑄機鑄造成工件，此製程稱為流變鑄造，亦稱為攪動鑄造 (StirCasting)。 觸變鑄造是將已具球狀晶之棒材或鑄錠重新加熱至固液兩相 共存之半固態區，而後再以壓鑄機鑄造或鍛造機鍛造。本法不必 使用金屬之熔解爐，僅是將錠材由全固態加熱至固相分率較高 (50~80%) 之半固態，因其仍維持固體之形狀 , 故可使用自動機器 (Robot)手臂夾持進行後續之壓鑄或鍛造步驟。而此法有點類似於 傳統之鍛造製程,因此又稱為觸變鍛造(Thixoforging)。
較具成本效益的半固態熔漿(SemisolidSlurry)製造方法有兩 種: 凝固攪動法(Agitation During Solidification) 應變引發熔漿活化法(Strain-induced Melt Activation，簡稱 SIMA)
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凝固攪動法之攪動動能可藉 由機械攪動和電磁攪動來達成.
周波感應加熱設備
周波感應加熱設備目前兩種自動運作方式. 一種是利用數個獨立的「固定式」加熱線圈每隔一時間差同 時加熱數個金屬錠，此間隔時間差約略為零件成形週期。每個獨 立加熱線圈可以輸出在不同時間區段不同大小的加熱功率，金屬 錠在同一個線圈由室溫加熱至半固態。
周波感應加熱設備
另外一種周波感應加熱的作法是利用旋轉盤使金屬錠在不同 線圈內依序加熱至半固態。可說是最早加熱半固態鋁錠的專利。 利用轉盤機構與數個周波感應線圈，將數個金屬錠同時加熱，加 熱後上升感應加熱線圈，轉盤往前旋轉後，所有金屬錠向前移動 至下一個感應線圈位置，感應線圈再下降加熱。這樣，讓每一個 金屬錠，依序經過不同加熱線圈加熱，直到最後一個加熱線圈,金 屬錠達到半熔融態.
半固態合金感應加熱技術及限制
(1)合金種類之影響建立感應加熱參數前，需參考個別合金 之凝固特性，就觸變鑄造製程之工程觀點而言，半固態熔漿需在 相同成型週期內以微小液相比例誤差被重複製造出來，才能達到 量產要求。
半固態合金感應加熱技術及限制
(2)半固態鎂合金感應加熱 建立良好感應加熱參數，係根值於熟悉硬體設備功能、感應 加熱原理與個別合金之凝固特性。如果感應加熱設備係利用熔漿 溫度回饋訊號，來控制加熱線圈功率輸出，則量測溫度之熱電偶 位置最好約略在渦電流透入深度ä ，以避免熱電偶位在偏低溫熔 漿中央位置，造成熔漿外圍全部液化，形成無謂熔損，而熔漿之 中央位置尚屬低溫半固態狀態，使熔漿內、外溫差過大。要達成 以上目標，預備鑄造成型的半固態合金黏漿的溫度準確性以及溫 度均勻性就要藉助具有可程式控制感應加熱功能之設備，才能達 成精確控制鎂錠溫度之要求。
半固態成型方法介紹
觸變成型是將金屬顆拉或碎片(Chip)加熱至固液兩相共存區 (較低之固相分率.非固體之形態),以螺桿剪切(目的為得到球狀品 )並推送此半固態黏漿射出成型，此法類似塑膠射出製程。此法亦 不需金屬熔解爐,原料係於枓管內加熱。 流變成型將一般之金屬錠溶解至液態精練後，在經冷卻至兩 相區，而後以螺桿剪切推送此半固態黏漿射出成型。
鎂合金半固態成型 專題報告
MID SOPHIN_WANG
2003/12/17
概述
在電子產品追求人性化的聲浪下，傳統的塑膠外殼已不能滿 足產品設計的需求，因應潮流而起的解決之道正是鎂合金成型品. 鎂合金成型品在電子業的應用具有工程塑膠無法取代的諸多優勢. 在品質及環保的的要求下，以鎂合金製作電子產品的外殼及 內部零件已成為主流趨勢.鎂合金的成型也受到越來越多的關注.
金屬半固態成型有別於全液態鑄造及全固態鍛造製程，其可 排除鑄造件孔洞過多及鍛造品高殘留應力之缺點，係結合兩製程 的優點所發展出來之全新製程。此技術於1970年代初期萌芽，發 展迄今已近30年。 所謂半固態(Semi-Solid)顧名思義為一半固態及一半液態之狀 態,廣而言之為同時含有部份固態及部份液態之形態。以金屬材料 而言，最重要的是此時的固相之品體組織是“球狀”的而非一般 的“樹枝狀”結構.此是應用金屬半固態成型技術的關鍵點。 目前半固態金屬成形技術沿革按制差異大約可區分流變鑄造 、觸變鑄造、觸變成型及流變成型。
半固態射出成型機台
半固態射出成型技術是由塑膠射出成型衍生出來的,但兩種射 出機台是不能換用的.因為不僅在套筒上,螺桿上所用的材料不同, 射出裝置,螺桿的旋線裝置等也都是為觸變成型機而專門設計的
半固態觸變鑄造成型介紹
觸變鑄造(Thixocasting) 是 先製造半固態非樹枝狀組織熔 漿再鑄造成棒材，在本文統一 稱為「半固態原材料」，然後 依據所需要重量鋸切成固定尺 寸原材料備用。利用精確溫控 加熱設備將半固態原材料從室 溫加熱至特定固相體積分率之 半固態熔漿後，將其送入壓鑄 機料筒或鍛造機模穴內壓鍛成 型零件。
鎂合金比較塑膠件的優勢
尺寸穩定及抗潛變性佳－不會有成形變形撓曲及材質老化問題 優良導熱性－改善電子產品散熱問題 極佳吸震性－使用在汽車座框架及坦克車吸震 優良的機械強度抗撓曲性 抗衝擊性〃抗疲勞性－不須為剛性問題增加補強設計，框體自 70cm高落下亦不破損 耐磨耗性良好 非磁性金屬－電磁遮蔽性佳(EMI) 輕薄設計的可行性－比重1.8但形成薄壁<1.2mm，局部更可薄至 0.6mm 金屬材質，質感佳，並可完全回收，符合環保法規ISO-14000 收縮率小－厚度可達20MM.無收縮下陷問題.RIB厚度或BOSS直徑 可達平均厚度之3-4倍.不致於產生收縮下陷問題
壓鑄法
<b. 熱室壓鑄法 Hot chamber die casting>： 以鵝頸管式自動給湯，氣體灌入少，熔鑄壓力較低，使用模具 較小，可鑄面積小，技術成熟度高，適用於肉薄及小鑄件。國內 業者採用此法較多，理由是成型周期短，廢料少。射出時間較短 ，產出率較高，機器結構較複雜，成本較高
半固態成型簡介
半固態鑄造成型製程
然後是零件成型，利用周波感應加熱方式將原材料從室溫加 熱至固、液相共存狀態，再利用壓機加以鍛壓（或利用壓鑄機壓 鑄）對半固態熔漿施加一剪切力(Shear Force)， 使熔漿因剪切 變(Shear Thinning)，降低表觀黏度而有優越流動性之原理來成 型零件。
半固態原材料製造
Density
98%
88%
半固態射出成型技術簡介
半固態成型技術觸變成型則將金屬顆粒經射出機的射出單元 加熱至部分熔融狀態，並剪切並冷卻至半固態後，再以螺杆推送 注射成型,是由塑膠射出成型衍生應用在金屬的成型製程。
半固態射出成型法-構造及進料圖
將鎂合金顆粒由加料筒(Feed Stock)送到射出成型機的料管內， 加熱至半固態後，同時以螺桿(Screw)施加外力。攪拌成球狀組織之 半固態鎂合金材料，然後再以螺桿送料射到模穴成型.